地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置及其试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置及其试验方法。属于石油钻井完井【技术领域】。所述试验装置主要包括：压力传递机构、密闭容腔机构、控制系统、检漏系统和管柱试样；所述压力传递机构自上而下穿过所述管柱试样内腔，所述管柱试样上下两端通过所述密闭容腔机构封装，所述密闭容腔机构连接所述控制系统，所述检漏系统安装在所述管柱试样上，由此构成模拟储气库完井管柱在注气和采气过程中的试验装置，以此获取完井管柱径向压力变化数据。本发明借助于疲劳试验机，可以检测出完井管柱接头在内压多次变化下的密封性能和疲劳强度,获取径向压力变化数据,为油田工作人员提供了设计依据，优化储气库作业参数。
【专利说明】地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置及其试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油钻井完井【技术领域】，特别涉及一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置及其试验方法。
【背景技术】
[0002]地下储气库是将长输管道输送来的商品天然气重新注入地下空间而形成的一种人工气田或气藏。包括注气和采气过程，地下储气库的注气是指:当上游长输管道供应的天然气流量大于天然气输配管网的用户使用量时，多出的天然气进入储气库工艺站场的加压机加压后，分别送各储气库储存，加压机出口设计压力一般等于地下储气库设计压力。地下储气库的采气是指:下游天然气输配管网用气高峰期，上游供应量不足或出现事故时，将地下储气库储存的天然气经过净化、调压处理后，送天然气输配管网，供用户使用，以弥补上游供应量的不足。
[0003]完井包括钻井完井和生广完井。钻井完井是油气井的完成方式，即根据油气层的地质特性和开发开采的技术要求，在井底建立油气层与油气井井筒之间的合理连通渠道或连通方式。生产完井是钻井完井之后如何选择管柱、井口，选择什么样的管柱、井口等来达到油气井的正常生产。
[0004]当钻探油井时，井眼通常以被称作套管的钢管来排列。一旦下入套管，则会在套管内部安装完井管柱。完井管柱主要用途是:引导油藏流体流经完井管柱内；当需要关井，则可停止油藏流体的流动；用于安装安全装置，可防止油藏流体的敞喷。
[0005]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0006]一般情况下，地下储气库注气、采气井周期频繁交替，注采过程中最高注气压力可达42MPa，地温梯度高达3.4°C /100m，且压力波动变化也较大，在反复的注采气过程中，套管及套管外水泥环承受的径向压力变化幅度大，套管受载复杂，套管柱的承载能力和安全使用寿命受到影响。目前虽然生产套管柱多为PllO以上高钢级特殊螺纹套管，但完井管柱在注采期间径向压力反复波动下，依然有注采套管柱泄漏、变形等损坏事故发生，譬如大港储气库中出现的多起井口泄漏事故。
[0007]这种由于疲劳累积损伤造成接头泄漏及突然断裂等失效的现象，以及储气库气井管柱在多种复合循环载荷作用下的力学行为状态和实际服役性能，目前还不是十分清晰，尤其是在注采压力反复波动下的管柱疲劳服役性能，没有任何实际报道或研究成果。因此，研究管柱接头螺纹结构的疲劳损伤和螺纹密封失效过程，建立注采管柱损伤与寿命的联系，研究寿命预测方法，分析研究注采压力大小和变化频次，对零构件的寿命管理及可靠性控制，对完井管柱的密封完整性甚为重要。
[0008]目前，中国石油集团正在大力投资建设储气库，一个库群的建设都在上亿元。但现有储气库完井管柱基本全是环空带压生产，带来一定安全风险，长期环空带压易导致天然气泄漏事故发生，一旦通过地层泄漏至城市生活区将发生严重事故。
[0009]现有的疲劳试验方法主要是针对材料或小尺寸试样(外径< Φ73_)或全尺寸实物试样进行的拉、压、扭转疲劳试验，力的加载主要以纵向为主。而目前储气库完井管柱外径尺寸在Φ88.9mm以上，注采压力的变化对管柱的影响主要以横向(径向)力波动为主。
【发明内容】
[0010]为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置及其试验方法。模拟储气库完井管柱在注采往复径向压力作用下的强度和密封性，获取管柱内压交变下密封性能和疲劳强度等压力变化数据，指导储气库注采作业和管柱选材。所述技术方案如下:
[0011]一方面，提供了一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，所述试验装置主要包括:压力传递机构、密闭容腔机构、控制系统、检漏系统和管柱试样；所述压力传递机构自上而下穿过所述管柱试样内腔，所述管柱试样上下两端通过所述密闭容腔机构封装，所述密闭容腔机构连接所述控制系统，所述检漏系统安装在所述管柱试样上，由此构成模拟储气库完井管柱在注气和采气过程中的试验装置，以此获取完井管柱径向压力变化数据。
[0012]具体地，所述压力传递机构至少包括:上金属法兰、活塞、第一压力传感器、通气孔、弧形压力板、压力杆、压力缸、下金属法兰、电缆沟槽；所述压力缸内设置有所述活塞，所述上金属法兰、下金属法兰分别联接在所述活塞两端；所述压力缸外壁上联接有所述压力杆，所述压力杆采用90°等相位布置于所述压力缸外壁四周，所述压力杆外端铰接在所述弧形压力板上，所述弧形压力板设置在所述管柱试样的管体内。
[0013]具体地，所述弧形压力板外半 径为对应的所述管体内壁半径r，周长为πr/2- (5~IOmm);所述弧形压力板沿所述管体内壁圆周均匀分布，所述每块弧形压力板上沿径向均匀分布有通气孔，所述各通气孔等距、等相位布置；所述其中一个弧形压力板外壁中间沿径向嵌装有所述第一压力传感器，并设置有一电缆沟槽，所述第一压力传感器的导线铺设在所述电缆沟槽里，并穿过所述密闭容腔机构的上密封盖帽上设置的密封电缆通道与控制系统的控制箱和计算机连接。
[0014]具体地，所述密闭容腔机构至少包括:封电缆通道、上密封盖帽、密弹性密封圈、密封胶、限位固定螺钉、下密封盖帽、介质注入孔；所述上密封盖帽和所述下密封盖帽分别与所述压力传递机构的压力缸两端螺纹联接，且所述上密封盖帽和所述下密封盖帽与所述管柱试样的管体端部通过螺纹和所述弹性密封圈、密封胶共同密封；所述上密封盖帽和所述下密封盖帽的外径上等位设置有螺孔，通过所述限位所述固定螺钉与所述管体锁紧固定，且所述限位固定螺钉处涂敷所述密封胶，由此构成密闭容腔；所述上密封盖帽上设置有所述密封电缆通道和所述介质注入孔。
[0015]具体地，所述控制系统至少包括:第二压力传感器、高压导管、压力泵、控制箱、计算机；所述第二压力传感器、所述高压导管固联在所述密闭容腔机构的上密封盖帽的介质注入孔上，所述高压导管连接所述压力泵，所述第二压力传感器通过导线与所述控制箱和所述计算机连接。
[0016]具体地，所述检漏系统至少包括:检漏装置、软管、氦气监测仪；所述检漏装置安装在所述管柱试样上，所述检漏装置中伸出的软管与所述氦气监测仪连接，用以检测所述管柱试样的密封效果。
[0017]具体地，所述管柱试样至少包括:管体、接箍；所述管体一端外壁设置有锥形外螺纹，另一端内外壁上设置有等边直角坡口，用以安装密闭容腔机构的弹性密封圈；所述接箍的中部设置有台肩，从台肩的两侧至所述接箍内壁的两端设置有锥形内螺纹，所述两个管体的外螺纹端相对并与所述接箍内螺纹联接成所述管柱试样。
[0018]另一方面，提供了一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验方法，所述方法包括:1)试验用完井管柱准备、2)调整压力传递机构压力板、3)管柱试样封装、4)试验主要工艺步骤，其中:
[0019]I)试验用完井管柱准备
[0020]将所述两个套管或油管管体的外螺纹端相对并与所述接箍内螺纹联接成试验用完井管柱试样；
[0021]2)调整压力传递机构压力板
[0022]步骤1，将所述第一压力传感器嵌入所述弧形压力板内，并用所述密封胶将所述第一压力传感器的导线封堵在所述电缆沟槽内；
[0023]步骤2，将所述压力传递机构放入试验用所述管柱试样内，将所述上金属法兰和所述下金属法兰与所述疲劳试验机上相应夹具联接好，启动所述疲劳试验机缓慢加压，带动所述活塞运动，支撑起所述压力杆，并带动所述弧形压力板慢慢靠近试验用管柱试样的内壁后，停止所述疲劳试验机；
[0024]步骤3，从所述疲劳试验机上卸下所述压力传递机构，将所述上金属法兰和所述下金属法兰从所述活塞上拆卸；
[0025]3)管柱试样封装
[0026]步骤1，将所述上密封盖帽、所述下密封盖帽穿过所述活塞，与所述压力缸通过螺纹连接固定，并与所述管柱试样端部紧密挤压；在固定前将所述第一压力传感器的导线通过所述密封电缆通道引出，经由所述控制箱连接至所述计算机；
[0027]步骤2，在所述上密封盖帽、所述下密封盖帽端部与所述管体外表面接触四周及所述限位固定螺钉处涂敷所述密封胶，使所述管柱试样内部形成以密闭容腔；
[0028]步骤3，将所述上金属法兰和所述下金属法兰与所述活塞联接，并安装在所述疲劳试验机上；
[0029]4)试验
[0030]步骤I，将所述氦气和氮气混合气体，通过所述压力泵经所述高压导管和所述介质注入孔泵入所述密闭容腔机构，所述密闭容腔机构内压力值由所述第二压力传感器采集，传输给所述计算机，并由所述计算机通过所述控制箱经由所述第二压力传感器控制所述压力泵；
[0031]步骤2，根据所述密闭容腔机构运行压力，设定应力水平，最大运行压力Pmax，最小运行压力Pmin，应力比R=Pmin/Pmax，R在[O?I]之间取值，试验频率为0.01?15Hz ；
[0032]步骤3，将所述检漏装置安装于所述管柱试样的所述接箍两端，所述检漏装置中的所述软管与所述氦气监测仪连接，形成闭环泄漏检测，用以测定所述管柱试样的密封性；
[0033]步骤4，启动所述疲劳试验机，由所述第一压力传感器采集试验压力值，传输给所述计算机控制应力水平，并由所述计算机通过所述控制箱经由所述第一压力传感器控制所述活塞运动行程和载荷变化；所述疲劳试验机载荷变化作用在所述管柱试样内壁压力的变化，在多个周次循环过程中检查所述管柱试样结构变化，同时观察所述氦气监测仪的显示，用以确定在一定载荷和周次下所述管柱试样的强度和密封性能变化；
[0034]步骤5，观察所述管柱试样变化，采集试验数据；当所述完井管柱试样出现裂纹或所述氦气监测仪检测到有氦气显示，表明所述完井管柱试样泄漏，或试验循环周次超过IO5次，试验停止，记录此时的应力水平和循环周次。
[0035]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0036]通过本发明完井管柱内压疲劳试验装置和试验方法，借助于疲劳试验机，可以检测出完井管柱接头在内压多次变化下的密封性能和疲劳强度，试验装置使注采压力的变化对管柱的影响以径向力波动为主，获得完井管柱在注采径向内压力多次往复变化下管柱的结构强度和密封性能，获得在注采径向压力反复波动下的管柱疲劳服役性能，获取的径向压力变化数据，为油田工作人员提供了设计依据，优化储气库作业参数，保证完井管柱结构的安全，避免管柱发生泄漏，进一步保障了整口井的生产安全，提高储气库运行效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1是本发明实施例提供的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置结构示意图的剖视图；
[0039]图2是本发明实施例提供的图1中A-A剖视图；
[0040]图3是本发明实施例提供的管柱试样结构示意图的剖视图。
[0041]图中各符号表示含义如下:
[0042]A.压力传递机构，其中包括:1.上金属法兰，2.活塞，10.第一压力传感器，11.通气孔，12.弧形压力板，13.压力杆，14.压力缸，18.下金属法兰，19.电缆沟槽；
[0043]B.密闭容腔机构，其中包括:3.密封电缆通道，4.上密封盖帽，5.弹性密封圈，
6.密封胶，7.限位固定螺钉，17.下密封盖帽，20.介质注入孔；
[0044]C.控制系统，其中包括:21.第二压力传感器，22.高压导管，23.压力泵，24.控制箱，25.计算机；
[0045]D检漏系统,其中包括:15.检漏装置，16.软管；
[0046]E管柱试样；其中包括:8.管体，8-1.等边直角坡口，9.接箍。
【具体实施方式】
[0047]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0048]实施例一
[0049]参见图1、图2、图3所示，本发明实施例提供了 一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，用于模拟储气库完井管柱在注采往复径向压力作用下的强度和密封性，获取地下储气库完井管柱(包括油管柱和套管柱)在注采压力往复变化下的结构性能和密封性能，获取管柱内压交变下密封性能和疲劳强度等压力变化数据，实现对零构件的寿命管理及可靠性控制，保证完井管柱的密封完整性；所述装置主要包括:压力传递机构A、密闭容腔机构B、控制系统C、检漏系统D和管柱试样E等部分；所述压力传递机构A自上而下穿过管柱试样E内腔，管柱试样E上下两端通过密闭容腔机构B封装，密闭容腔机构B —端连接控制系统C，检漏系统D安装在管柱试样E两端，由此构成模拟储气库完井管柱在注气和采气过程中的试验装置，以此获取完井管柱径向压力变化数据，为油田工作人员提供了设计依据，适用于油套管外径为73mm?260mm的完井管柱。
[0050]具体地，所述压力传递机构A至少包括:上金属法兰1、活塞2、第一压力传感器10、通气孔11、弧形压力板12、压力杆13、压力缸14、下金属法兰18、电缆沟槽19等零部件；所述压力缸14内设置有活塞2，压力缸14外径为50?70mm，长度为800?1200mm，活塞2最大运动行程为80mm ;所述上金属法兰1、下金属法兰18通过螺栓分别联接在活塞2的两端，可拆卸和紧固；所述压力缸14外壁上联接有十六根压力杆13，压力杆13采用90°等相位布置于压力缸14外壁四周，每相位纵向布置四根,压力杆13径向运动最大位移为75_ ；所述压力杆13的外端铰接在弧形压力板12上，所述弧形压力板12设置在管柱试样E的管体8内，所述弧形压力板12长度为300?800mm,厚度为10?20mm,外半径为对应的管体8内壁半径r,周长为r/2- (5?IOmm);所述弧形压力板12为四块,沿管体8内壁圆周均匀分布，每块弧形压力板12上沿径向均匀分布有直径为I?2_的通气孔11，各通气孔11等距、等相位布置，所述四块弧形压力板12上的通气孔11按照圆周等距五列、轴向等距八行布置，不少于40个，用于气体流通；所述其中一个弧形压力板12外壁中间沿径向嵌装有2?7个第一压力传感器10，并在该弧形压力板12外壁中间设置有一深度为2?5mm、宽度为2?5_的电缆沟槽19，所述第一压力传感器10的导线铺设在电缆沟槽19里，并穿过密闭容腔机构B的上密封盖帽4上设置的密封电缆通道3与控制系统C的控制箱24和计算机25连接。
[0051]所述压力传递机构A的工作原理:将所述上金属法兰I和下金属法兰18分别与现有技术疲劳试验机上相应夹具联接，疲劳试验机运动带动压力缸14内活塞2轴向运动，活塞2运动带动压力杆13作径向运动，压力杆13支撑起弧形压力板12挤压在管体8内壁上，通过第一压力传感器10采集试验径向压力值，传输给计算机25，计算应力水平，并由计算机25通过控制箱24经第一压力传感器10控制活塞2运动行程和载荷变化。现有技术疲劳试验机操作按照其试验机操作规程进行。
[0052]具体地，所述密闭容腔机构B至少包括:密封电缆通道3、上密封盖帽4、弹性密封圈5、密封胶6、限位固定螺钉7、下密封盖帽17、介质注入孔20等零部件；所述上密封盖帽4和下密封盖帽17的中心设置有螺纹孔，分别与压力传递机构A的压力缸14两端螺纹联接，且上密封盖帽4和下密封盖帽17与管柱试样E的管体8端部通过螺纹和弹性密封圈5共同密封；所述上密封盖帽4和下密封盖帽17的外径上等位设置有四个螺孔，通过四个限位固定螺钉7与管体8锁紧固定，同时在上密封盖帽4和下密封盖帽17的端部与管柱试样E的管体8外表面接触的四周涂敷有密封胶6，并在每个限位固定螺钉7处也涂敷密封胶6，由此构成密闭容腔。而且在所述上密封盖帽4上设置有密封电缆通道3和介质注入孔20。
[0053]具体地，所述控制系统C至少包括:第二压力传感器21、高压导管22、压力泵23、控制箱24、计算机25等零部件；所述第二压力传感器21、高压导管22固联在密闭容腔机构B的上密封盖帽4的介质注入孔20上，高压导管22连接压力泵23，第二压力传感器21通过导线与控制箱24和计算机25连接。
[0054]所述密闭容腔机构B和控制系统C的工作原理:压力泵23通过高压导管22和介质注入孔20为密闭容腔机构B内部提供试验用高压介质，介质主要为氦气与氮气混合气体；并通过第二压力传感器21采集试验压力值，传输给计算机25，所述计算机通过控制箱24经由第二压力传感器21控制压力泵23，使泵入的气体压力大于I巴。
[0055]具体地，所述检漏系统D至少包括:检漏装置15、软管16、氦气监测仪等现有技术设备；选用国际标准(ISO 13679:2002石油天然气工业套管和油管螺纹连接试验程序)规定的检漏装置15，所述检漏装置15安装在管柱试样E的两端部位，将检漏装置15中伸出的软管16与氦气监测仪(图中未画出)连接，用以检测管柱试样E的密封效果。
[0056]参见图3所示，具体地，所述管柱试样E至少包括:管体8、接箍9等零部件；所述单一管体8 —端外壁设置有锥形外螺纹，另一端设置有等边直角坡口 8-1 ;所述接箍9的中部设置有台肩，从台肩的两侧至接箍9内壁的两端设置有锥形内螺纹，相接时，将两个单一管体8的外螺纹端相对并与接箍9内螺纹联接成管柱试样E，长度为600?IOOOmm ;所述管体8两端口的内外壁上分别设置有一等边直角坡口 8-1,深度为0.5?1.5mm,便于与密闭容腔机构B的弹性密封圈5组合形成有效密封。
[0057]实施例二
[0058]本发明实施例提供了一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验方法，主要是为模拟储气库管柱在注采往复压力变化下的管柱结构强度和密封完整性检测系统方法，获取完井管柱内注采压力多次交变下失效的疲劳极限，获取密封性能和疲劳强度等径向压力变化数据，指导储气库注采作业和管柱选材；所述方法包括:1)试验用完井管柱准备、2)调整压力传递机构压力板、3)管柱试样封装、4)试验等主要工艺步骤，其中:
[0059]I)试验用完井管柱准备
[0060]步骤1，试验前，做好必备的安全防护措施；
[0061]步骤2，试验用管体8选用规格为Φ 139.7X10.54mm PllO套管，在车床上用车刀将试验用管体8端部内外壁分别车出一等边直角坡口 8-1，坡口深度为1.0mm，并在内外坡口处嵌装弹性密封圈5 ；
[0062]步骤3，将两个套管管体8的外螺纹端相对并与接箍9内螺纹联接而成，总长度为600mm,由此构成试验用完井管柱试样E ；
[0063]2)调整压力传递机构压力板
[0064]步骤1，将三个第一压力传感器10嵌入弧形压力板12内，并用密封胶6将压力传感器的导线封堵在深度为2mm和宽度为3mm的电缆沟槽19内；弧形压力板12的长度为400mm,厚度为15mm,半径为59.31mm,弧长为180mm ;在每个弧形压力板12上按照圆周等距五列、轴向等距八行布置四十个直径为Imm的通气孔11;
[0065]步骤2，将压力传递机构A放入试验用管柱试样E内，其中压力缸选用外径为60mm，长度为800mm的压力缸14 ;将上金属法兰I和下金属法兰18与现有疲劳试验机上相应夹具联接好，启动疲劳试验机缓慢加压，通过疲劳试验机运动带动压力传递机构A的压力缸14内活塞2运动，支撑起压力杆13，并带动弧形压力板12慢慢靠近试验用管柱试样E的内壁，力的加载是以横向(径向)力波动为主，同时调整管柱试样E使弧形压力板12处于管柱中心位置，经弧形压力板12把压力作用在管柱试样E内壁上，当弧形压力板12接触到管柱试样E内壁(以管柱不从弧形压力板12上滑动为宜)后，停止疲劳试验机；
[0066]步骤3，从疲劳试验机上卸下压力传递机构A，同时把上金属法兰I和下金属法兰18从活塞2上拆卸下来；
[0067]3)管柱试样封装
[0068]步骤1，将上密封盖帽4穿过活塞2，与压力缸14通过螺纹连接固定好，并与管柱试样E端部紧密挤压；在固定前将其中一块弧形压力板12嵌有第一压力传感器10的导线通过密封电缆通道3引出，经由控制箱24连接至计算机25 ；
[0069]下密封盖帽17的封堵连接方法与上密封盖帽4相同,应将上密封盖帽4、下密封盖帽17同时旋转紧固，以避免管柱试样E偏移；
[0070]步骤2，均衡紧固限位固定螺钉7，并在上密封盖帽4、下密封盖帽17端部与管体8外表面接触四周涂敷密封胶6，每个限位固定螺钉7处也涂敷密封胶6，至此，管柱试样E内部形成以密闭容腔；
[0071]步骤3，将上金属法兰I和下金属法兰18与活塞2联接紧固好，并安装在疲劳试验机上；
[0072]4)试验
[0073]步骤I，将氦气和氮气混合气体，通过压力泵23经高压导管22和介质注入孔20泵入密闭容腔机构B，使泵入的气体压力为1.5X IO5Pa,密闭容腔机构B内压力值由第二压力传感器21采集，传输给计算机25，并由计算机25通过控制箱24经由第二压力传感器21控制压力泵23 ；
[0074]步骤2，根据密闭容腔机构B运行压力，设定应力水平，设定管柱试样E最大运行压力为30MPa，最小运行压力为15MPa，应力比R=0.5，试验频率取0.1Hz ；
[0075]步骤3，将现有ISO 13679型号检漏装置15安装于管柱试样E的接箍9两端，ISO13679检漏装置15中的软管16与氦气监测仪连接好，形成闭环泄漏检测，以便测定管柱试样E的密封性；
[0076]步骤4，启动疲劳试验机(疲劳试验机操作按照现有试验机操作规程进行)，由第一压力传感器10采集试验压力值，传输给计算机25控制应力水平，并由计算机25通过控制箱24经由第一压力传感器10控制活塞2运动行程和载荷变化；疲劳试验机载荷变化引起作用在管柱试样E内壁压力的变化，在多个周次循环过程中检查管柱试样E结构变化，同时观察氦气监测仪的显示，以便于确定在一定载荷和周次下管柱试样E的强度和密封性能变化；
[0077]步骤5，观察管柱试样E变化，采集试验数据；当完井管柱试样E出现裂纹或氦气监测仪检测到有氦气显示，说明完井管柱试样E泄漏，或试验循环周次超过IO5次，试验停止，记录此时的应力水平和循环周次。
[0078]综上所述，本发明实施例通过将试验装置的压力传递机构A放入试验用完井管柱试样E内，模拟储气库完井管柱在注采往复径向压力作用下的强度和密封性，疲劳试验机运动带动压力缸14内活塞2轴向运动,活塞2运动带动压力杆13作径向运动,使弧形压力板12慢慢靠近试验用完井管柱试样E的内壁，力的加载是以横向(径向)力波动为主，获取的是管柱径向内压交变下密封性能和疲劳强度等压力变化数据，有助于指导储气库注采作业和管柱选材，减少地下储气库完井管柱由于内压疲劳使注采管柱泄漏、变形等损坏事故的发生。
[0079]另外，通过本发明实施例，可以评定完井管柱在往复内压变化下的密封性能和结构强度完整性，有效地预防因管柱泄漏、断裂等事故，每年可直接节约资金近亿元，有广阔的应用前景；适用于石油天然气工业用各类油管和套管管柱，尤其是特殊螺纹管柱。
[0080]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述试验装置主要包括:压力传递机构(A)、密闭容腔机构(B)、控制系统(C)、检漏系统⑶和管柱试样(E);所述压力传递机构(A)自上而下穿过所述管柱试样(E)内腔，所述管柱试样(E)上下两端通过所述密闭容腔机构(B)封装，所述密闭容腔机构(B)连接所述控制系统(C)，所述检漏系统(D)安装在所述管柱试样(E)上，由此构成模拟储气库完井管柱在注气和采气过程中的试验装置，以此获取完井管柱径向压力变化数据。
2.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述压力传递机构(A)至少包括:上金属法兰(I)、活塞(2)、第一压力传感器(10)、通气孔(11)、弧形压力板(12)、压力杆(13)、压力缸(14)、下金属法兰(18)、电缆沟槽(19);所述压力缸(14)内设置有所述活塞(2)，所述上金属法兰(I)、下金属法兰(18)分别联接在所述活塞(2)两端；所述压力缸(14)外壁上联接有所述压力杆(13)，所述压力杆(13)采用90°等相位布置于所述压力缸(14)外壁四周，所述压力杆(13)外端铰接在所述弧形压力板(12)上，所述弧形压力板(12)设置在所述管柱试样(E)的管体(8)内。
3.根据权利要求2所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述弧形压力板(12)外半径为对应的所述管体⑶内壁半径r,周长为Jir/2- (5~IOmm);所述弧形压力板(12)沿所述管体(8)内壁圆周均匀分布，所述每块弧形压力板(12)上沿径向均匀分布有通气孔(11)，所述各通气孔(11)等距、等相位布置；所述其中一个弧形压力板(12)外壁中间沿径向嵌装有所述第一压力传感器(10)，并设置有一电缆沟槽(19)，所述第一压力传感器(10)的导线铺设在所述电缆沟槽(19)里，并穿过所述密闭容腔机构(B)的上密封盖帽(4)上设置的密封电缆通道(3)与控制系统(C)的控制箱(24)和计算机(25)连接。
4.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述密闭容腔机构(B)至少包括:·封电缆通道(3)、上密封盖帽(4)、密弹性密封圈(5)、密封胶(6)、限位固定螺钉(7)、下密封盖帽(17)、介质注入孔(20);所述上密封盖帽(4)和所述下密封盖帽(17)分别与所述压力传递机构(A)的压力缸(14)两端螺纹联接，且所述上密封盖帽(4)和所述下密封盖帽(17)与所述管柱试样(E)的管体(8)端部通过螺纹和所述弹性密封圈(5)、密封胶(6)共同密封；所述上密封盖帽⑷和所述下密封盖帽(17)的外径上等位设置有螺孔，通过所述限位所述固定螺钉(7)与所述管体(8)锁紧固定，且所述限位固定螺钉(7)处涂敷所述密封胶(6)，由此构成密闭容腔；所述上密封盖帽(4)上设置有所述密封电缆通道(3)和所述介质注入孔(20)。
5.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述控制系统(C)至少包括:第二压力传感器(21)、高压导管(22)、压力泵(23)、控制箱(24)、计算机(25);所述第二压力传感器(21)、所述高压导管(22)固联在所述密闭容腔机构(B)的上密封盖帽(4)的介质注入孔(20)上，所述高压导管(22)连接所述压力泵(23)，所述第二压力传感器(21)通过导线与所述控制箱(24)和所述计算机(25)连接。
6.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述检漏系统(D)至少包括:检漏装置(15)、软管(16)、氦气监测仪；所述检漏装置(15)安装在所述管柱试样(E)上，所述检漏装置(15)中伸出的软管(16)与所述氦气监测仪连接，用以检测所述管柱试样(E)的密封效果。
7.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述管柱试样(E)至少包括:管体(8)、接箍(9);所述管体(8) —端外壁设置有锥形外螺纹，另一端内外壁上设置有等边直角坡口(8-1)，用以安装密闭容腔机构(B)的弹性密封圈(5)；所述接箍(9)的中部设置有台肩，从台肩的两侧至所述接箍(9)内壁的两端设置有锥形内螺纹，所述两个管体(8)的外螺纹端相对并与所述接箍(9)内螺纹联接成所述管柱试样(E)。
8.—种地下储气库完井管柱内压疲劳试验方法，其特征在于，所述方法包括:1)试验用完井管柱准备、2)调整压力传递机构压力板、3)管柱试样封装、4)试验主要工艺步骤，其中: 1)试验用完井管柱准备 将所述两个套管或油管管体(8)的外螺纹端相对并与所述接箍(9)内螺纹联接成试验用完井管柱试样(E)； 2)调整压力传递机构压力板 步骤1，将所述第一压力传感器(10)嵌入所述弧形压力板(12)内，并用所述密封胶(6)将所述第一压力传感器(10)的导线封堵在所述电缆沟槽(19)内； 步骤2，将所述压力传递机构(A)放入试验用所述管柱试样(E)内，将所述上金属法兰(I)和所述下金属法兰(18)与疲劳试验机上相应夹具联接好，启动所述疲劳试验机缓慢加压，带动所述活塞(2)运动，支撑起所述压力杆(13)，并带动所述弧形压力板(12)慢慢靠近试验用管柱试样(E)的内壁 后，停止所述疲劳试验机； 步骤3，从所述疲劳试验机上卸下所述压力传递机构(A)，将所述上金属法兰(I)和所述下金属法兰(18)从所述活塞(2)上拆卸； 3)管柱试样封装 步骤1，将所述上密封盖帽(4)、所述下密封盖帽(17)穿过所述活塞(2)，与所述压力缸(14)通过螺纹连接固定，并与所述管柱试样(E)端部紧密挤压；在固定前将所述第一压力传感器(10)的导线通过所述密封电缆通道(3)引出，经由所述控制箱(24)连接至所述计算机(25)； 步骤2，在所述上密封盖帽(4)、所述下密封盖帽(17)端部与所述管体(8)外表面接触四周及所述限位固定螺钉(7)处涂敷所述密封胶(6)，使所述管柱试样(E)内部形成以密闭容腔； 步骤3，将所述上金属法兰(I)和所述下金属法兰(18)与所述活塞(2)联接，并安装在所述疲劳试验机上； 4)试验 步骤I，将所述氦气和氮气混合气体，通过所述压力泵(23)经所述高压导管(22)和所述介质注入孔(20)泵入所述密闭容腔机构(B)，所述密闭容腔机构(B)内压力值由所述第二压力传感器(21)采集，传输给所述计算机(25)，并由所述计算机(25)通过所述控制箱(24)经由所述第二压力传感器(21)控制所述压力泵(23)； 步骤2，根据所述密闭容腔机构(B)运行压力，设定应力水平，最大运行压力Pmax，最小运行压力Pmin，应力比R=Pmin/Pmax，R在[O~I]之间取值，试验频率为0.01~15Hz ； 步骤3，将所述检漏装置(15)安装于所述管柱试样(E)的所述接箍(9)两端，所述检漏装置(15)中的所述软管(16)与所述氦气监测仪连接，形成闭环泄漏检测，用以测定所述管柱试样(E)的密封性； 步骤4，启动所述疲劳试验机，由所述第一压力传感器(10)采集试验压力值，传输给所述计算机(25)控制应力水平，并由所述计算机(25)通过所述控制箱(24)经由所述第一压力传感器(10)控制所述活塞(2)运动行程和载荷变化；所述疲劳试验机载荷变化作用在所述管柱试样(E)内壁压力的变化,在多个周次循环过程中检查所述管柱试样(E)结构变化，同时观察所述氦气监测仪的显示，用以确定在一定载荷和周次下所述管柱试样(E)的强度和密封性能变化； 步骤5，观察所述管柱试样(E)变化，采集试验数据；当所述完井管柱试样(E)出现裂纹或所述氦气监测仪检测到有氦气显示，表明所述完井管柱试样(E)泄漏，或试验循环周次超过IO5次，试验停止，记·录此时的应力水平和循环周次。
【文档编号】G01M3/28GK103852225SQ201210500560
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2012年11月29日
【发明者】王建军, 宋生印 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所